Магистерская диссертация на тему Достоинства и недостатки обеззараживания природной воды методом ультрафиолетового облучения. Магистерская про УФО. Достоинства и недостатки обеззараживания природной воды методом ультрафиолетового облучения
 Скачать 2.2 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тольяттинский государственный университет» АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ (институт) Кафедра «Теплогазоснабжение, вентиляция, водоснабжение и водоотведение» 08.04.01 «Строительство» (код и наименование направления подготовки) «Водоснабжение городов и промышленных предприятий» (направленность (профиль) МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ на тему «Достоинства и недостатки обеззараживания природной воды методом ультрафиолетового облучения» Студент М.В. Дятлов (И.О. Фамилия) (личная подпись) Научный руководитель В.А. Селезнев (И.О. Фамилия) (личная подпись) Консультанты (И.О. Фамилия) (личная подпись) (И.О. Фамилия) (личная подпись) Руководитель программы к.т.н., доцент В.М. Филенков ______________ (ученая степень, звание, И.О. Фамилия ) (личная подпись) «_____»______________________20_____г. Допустить к защите Заведующий кафедрой к.т.н., доцент М.Н. Кучеренко ______________ (ученая степень, звание, И.О. Фамилия ) (личная подпись) «_____»______________________20_____г. Тольятти 2017 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 4 1 ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ МЕТОДОМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ ................................................................ 7 1.1 Обеззараживание питьевой воды ..................................................................... 7 1.2 Терминология ................................................................................................... 12 1.3 Обеззараживание ультрафиолетовым излучением ....................................... 13 1.4 Действие УФИ на ДНК и РНК ........................................................................ 19 1.5 Принципы расчета ............................................................................................ 21 1.5.1 Биологический тест «Биопроба» .............................................................. 21 1.5.2 Усредненный расчет дозы УФИ ............................................................... 24 1.5.3 Дискретный расчет дозы УФИ ................................................................. 25 1.6 Типы реакторов ................................................................................................ 27 1.6.1 Реакторы для обработки питьевой воды ................................................. 29 1.6.2 Реакторы для обработки промышленных вод ........................................ 31 1.6.3 Устройства контроля и регулирования .................................................... 32 1.7 Системы очистки УФ установок .................................................................... 33 1.7.1 Загрязнение кварцевых защитных стёкол и системы очистки.............. 33 1.7.2 Оценка систем очистки УФ установок .................................................... 35 1.8 Ультрафиолет + ультразвук ............................................................................ 38 1.8.1 Ультразвуковая кавитация ........................................................................ 38 1.8.2 Обеззараживание питьевой воды и сточных вод ультрафиолетовым излучением и ультразвуком ............................................................................... 41 1.8.3 Эффект воздействия ультразвуковых волн на формирование биоплёнки ............................................................................................................ 46 1.9 Выводы по 1 главе ............................................................................................ 49 2 Существующие системы водоподготовки с УФ обеззараживанием ................ 51 2.1 ООО «Автоград-Водоканал» .......................................................................... 51 2.2 УФ-обеззараживание в системе водоснабжения города Череповца........... 53 2.3 УФ-обеззараживание в системе водоснабжения города Новосибирска .... 57 2.4 Водоподготовка на Слудинской водопроводной станции в городе Нижний Новгород ................................................................................................................. 60 2.5 Выводы по 2 главе ............................................................................................ 72 3 Совершенствование систем водоподготовки ...................................................... 74 3.1 Интенсификация процесса обеззараживания воды технологией совмещения ультрафиолета и ультразвука .......................................................... 74 3.2 Выводы по 3 главе ............................................................................................ 84 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 85 Список использованных источников ...................................................................... 86 4 ВВЕДЕНИЕ Актуальность. Мы живем на планете Земля. Нуждаемся в пополнении запасов энергии, путем пропитания. Развиваемся. И мы знаем, что неотъемлемая часть жизнедеятельности населения нашей планеты – это ее загрязнение. Биологическое загрязнение является одним из наиболее распространенных и опасных загрязнений водных ресурсов. В добавок, нас окружает еще очень большое многообразие организмов, от малых до великих. Так, вода, которая настолько нам необходима, может быть заражена различными видами микроорганизмов. Конечно же ясно, что загрязненная вода не годится в употребление. И несомненно, без снабжения чистой питьевой водой, здоровье людей и их благополучие будет под угрозой. Поэтому во многих развивающихся странах, отсутствие чистой питьевой воды будет являться одной из самых актуальных и непростых жизненных проблем. Требования по соответствию различным параметрам качества воды периодически обновляются и ужесточаются, внося нюанс развития в технологическом плане для систем очистки воды и рекомендации для станций водоподготовки в целом. А также стоит не забывать о влиянии таких новых требований на технико-экономические показатели эксплуатируемых систем водоподготовки, или только проектируемых, откуда встает вопрос об адаптации к современным рыночным условиям. Цель работы: Совершенствование систем водоподготовки с обеззараживанием воды методом ультрафиолетового облучения. Задачи: изучение данных о принципе воздействия ультрафиолетового излучения и самом воздействии обеззараживания ультрафиолетового излучения на микроорганизмы, находящиеся в воде, и являющиеся источником загрязнения; изучение данных о существующих в настоящий момент проблемах при очистке воды путем ультрафиолетового облучения; 5 сбор, систематизация, анализ уже известных данных и результатов различных исследований, экспериментов по обеззараживанию воды методом ультрафиолетового облучения; внести предложения по совершенствованию систем водоподготовки с обеззараживанием воды методом ультрафиолетового облучения; Методы исследования: в данной диссертационной работе были использованы такие методы исследования, как аналитический, статистический, и так называемый метод экспертных оценок, а также был произведен анализ нормативно-технической базы документации. Научная новизна диссертации состоит в том, что в ходе работы были проанализированы различные схем и способы водоподготовки обеззараживания воды, в том числе и методом ультрафиолетового облучения, и технологией совместного воздействия ультрафиолета и ультразвука, в результате с учетом современных требований по технико-экономическим показателям предложен вариант совершенствования и оптимизации системы водоподготовки с обеззараживанием воды методом ультрафиолетового облучения. Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что в ней изложены варианты усовершенствования, которые приведут к повышению уровня эксплуатации системы водоподготовки с обеззараживанием воды методом ультрафиолетового облучения, а также качества очистки воды этой системой. Апробация работы: основные положения работы изложены в двух публикациях: 1. Дятлов М.В., Селезнев В.А. Обеззараживание воды методом ультрафиолетового облучения. В сборнике статей VI Международной научно- практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России». – Пенза, МНИЦ, 2017. 2. Дятлов М.В. Интенсификация процесса обеззараживания воды технологией совмещения уф и ультразвука. – В сборнике: Города России: 6 проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии. – Пенза, МНИЦ, 2017. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов по главам, заключения, библиографии из 70 источников. Общий объем работы 90 страниц машинописного текста, включая 31 иллюстрацию, 9 таблиц. 7 1 ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ МЕТОДОМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ 1.1 Обеззараживание питьевой воды Обеззараживание воды в системах питьевого водоснабжения имеет весьма важное значение в связи с тем, что это последний барьер на пути возможной передачи болезнетворных микроорганизмов через воду потребителю. Обеззараживание защищает питьевую воду от внешнего загрязнения и вторичного роста микроорганизмов при транспортировании воды по водопроводным сетям. Сам принцип и понятие процесса обеззараживания заключается в уничтожении различных вирусов, микроорганизмов, бактерий, и т.п., содержащихся в воде, и которые могут негативно воздействовать на организм человека. Эффективность обеззараживания воды зависит от концентрации и вида микробиологических загрязнений, их устойчивости к используемым обеззараживающим реагентам, качества исходной воды и технологии ее обработки. Обеззараживание питьевой воды может происходить разными методами. По способу воздействия на микроорганизмы различают: химические (реагентные), физические (безреагентные), и комбинированные. В случае реагентного метода нужный эффект обеззараживания достигается воздействием на воду химическими соединениями. В другом случае, безреагентном, на воду производится физическое воздействие. Ну а при комплексном методе, логично что, вода обрабатывается одновременно как химически, так и физически. Обработку воды такими окислителями как хлор, озон, относят к химическому методу обеззараживания. А воздействие на воду ультрафиолетовым или ультразвуковым облучением, будет относиться к физическому методу. Обычно, перед обеззараживанием вода проходит через фильтры или же очистку коагуляцией, где удалится большая часть микроорганизмов и взвешенных веществ, что в ней могут содержаться. 8 Используя химический метод обеззараживания нужно знать меру. Необходимо правильно и точно подбирать дозу реагентов, а также время их контакта с водой для получения требуемого эффекта обеззараживания. Узнать какая доза реагента требуется можно с помощью расчетов, или же подбирается пробными обеззараживаниями. Стоит учитывать запас обеззараживающего эффекта питьевой воды, для чего при химическом методе расчет делают с небольшим избытком (остаточный хлор, например). Тем самым давая гарантию на некоторое время от микроорганизмов, попадающих в воду уже после обеззараживания. При физическом методе к единице объема обрабатываемой воды подводится необходимое количество энергии, находящееся из умножения интенсивности воздействия на время воздействия. При дозах, обеспечивающих одинаковый эффект обеззараживания по коли-индексу, воздействие ультрафиолетового излучения на вирусы значительно сильнее, чем у хлора. Озонирование же по данному фактору практически не уступает ультрафиолетовому облучению. Хлорирование самым популярный из химических методов обеззараживания, как ни крути. Это достаточно высокая эффективность, дешевизна реагента, и, собственно, простота оборудования и обслуживания. Этого вполне хватает чтобы не выпадать из технологических схем на многих станциях водоподготовки. При применении хлора эффективность обеззараживания в основном зависит от его начальной дозы и времени контакта с водой. Таблица 1.1 – Технологические характеристики хлорсодержащих реагентов Реагент ГОСТ, ТУ Хиимическая формула Содержание активного хлора, % Хлор жидкий ГОСТ 6718-93 C1 2 99,8% - высший сорт Натрий гипохлорит ТУ 243281 NaOC1 90 г/л - марка А 60 г/л - марка Б Кальций гипохлорит нейтральный ГОСТ 2563-82Е Са(С10) 2 72,0 - высший сорт 64,0 -1 сорт 52,0 - II сорт 9 Все же у такого популярного и простого метода обеззараживания есть свои недостатки. Хлор слабо инактивирует вирусы и спорообразующие кишечные бактерии, а также вступая в реакцию с органическими веществами образовывает побочные, вредные для человека вещества. Еще опасность возникает при транспортировки хлор-реагентов с точки зрения экологии для людей проживающих неподалеку, при хранении и использовании на станциях водоподготовки, так как хлор – сильнодействующее токсичное вещество, требующее соблюдения мер безопасности. Антропогенное загрязнение воды еще больше усугубляет ситуацию, вынуждая все больше увеличивать дозы. А в связи с высокой стойкостью хлорорганических соединений опять же происходит загрязнение источников водоснабжения вниз по течению. Наряду с недостатком хлор имеет очень важный и ценный плюс, это – последействие. Как говорилось ранее, расчет дозы рекомендуется брать с запасом. Данный небольшой избыток, к примеру в 0,3-0,5 мг/л остаточного хлора, будет защищать от вторичного роста бактерий и микроорганизмов уже после прохождения очистных сооружений. Следующий один из основных и популярных методов обеззараживания — это озонирование. Действие озонирования основывается на разложении озона в воде, в результате чего образуется атомарный кислород. В свою очередь, атомарный кислород в воде разрушает ферментные системы клеток микробов и еще окисляет некоторые соединения, от чего у воды может быть неприятный запах. Доза при озонировании рассчитывается в зависимости от загрязнения воды. А чтобы после обработки у воды не было специфического запаха, и чтобы дополнительно не вызывать коррозию труб, количество озона на выходе не должно превышать 0,3–0,5 мг/л. Являясь гигиенически одним из лучших методов обеззараживания, озонирование достигает высоких органолептических показателей и отсутствия высокотоксичных веществ в очищенной воде. Озон является сильным реагентом, но это застраховывает от вторичного загрязнения даже при использовании озонирования на последних стадиях 10 водоподготовки, так как 0,4 мг/л озона менне чем за один час разлагается. В противовес этому озон пролонгирует действие хлора и снижает его дозу для обеззараживания. Озонирование требует больших расходов электроэнергии, имеет сложное оборудование, из-за чего никак без квалифицированного обслуживания. Поэтому озонирование получило применение только на крупных станциях водоподготовки. Рассматривая физические методы обеззараживания наиболее популярным считается обеззараживание с помощью ультрафиолетового облучения. Принцип обеззараживания ультрафиолетом базируется на воздействии ультрафиолетовых лучей на клеточный обмен и ферментные системы клеток, при этом не меняя органолептические показатели воды. Нельзя не упомянуть о том, что для воды нет верхнего предела дозы облучения ультрафиолетом, поскольку после обработки ультрафиолетовыми лучами в воде не образуются токсичные вещества. Поэтому не боясь увеличить дозу ультрафиолетового излучения можно добиться желаемого уровня обеззараживания воды. Одним из недостатков обеззараживания ультрафиолетовым облучением является то, что воздействие данного метода по месту носит локальный характер, т.е. имеем полное отсутствие последействия. После обработки воды ультрафиолетовым облучением в камере реактора и выхода ее из него бактерицидное воздействие прекращается. Установки для ультрафиолетового обеззараживания требуют хороших капитальных вложений в начале, но имеют низкие эксплуатационные расходы в течении работы: небольшие затраты на электроэнергию, и периодическая замена ламп при необходимости. Стоит отметить, что при длительном использовании в эксплуатации установок ультрафиолетового обеззараживания защитные чехлы ламп загрязняются органическими и минеральными отложениями. Конечно, данный фактор, снижающий эффективность работы установки, учитывается производителями, которые снабжают установки системами очистки стекол. В крупных установках, чаще всего, это автоматическая система очистки путем 11 промывки с помощью добавления пищевых кислот. В остальных случаях применяется механическая очистка. В России метод обеззараживания с помощью ультрафиолетового излучения широко используется для подземных вод высокого качества при небольшом расходе от 20 до 500 тыс.м 3 /сут. Эффективность метода обеззараживания с помощью ультрафиолетового излучения хорошо зарекомендовала себя в технологических схемах водоподготовки на стадии первичного обеззараживания, что позволяет значительно снизить дозу хлора. Поэтому в последнее время широкое применение находит технология многоступенчатого обеззараживания, сочетающая хлорирование и УФ- излучение. Характерными примерами могут служить такие водопроводные станции, как Lovo производительностью 144 000 м3/сут. в Стокгольме (Швеция), Vanliakaupuliki производительностью 120000 м3/сут. и Pilkakoski производительностью 168000 м3/сут. в Хельсинки (Финляндия), Viktopia Plant производительностью 580400 м3/сут. в г. Виктория (Канада), Kapostashmegyer производительностью 600000 м3/сут в Будапеште (Венгрия), комплекс водопроводных станций в системе питьевого водоснабжения г. Санкт- Петербурга общей максимальной производительностью 5500000 м3/сут, насосно-фильтровальная станция № 1 (НФС-1) проектной производительностью 250000 м3/сут в г. Новосибирске (Рис. 1.1). Рисунок 1.1 – Технологическая схема водоподготовки в г. Новосибирске Еще один физический метод обеззараживания – использование ультразвука. Применение ультразвук получил благодаря своей способности вызывать кавитацию. Другими словами, ультразвук образует пустоты, в 12 следствии чего создавая большую разность давления, что приводит к разрыву оболочки клеток и к их гибели. Основанное на данном свойстве, бактерицидное действие ультразвука зависит от интенсивности звуковых колебаний, а при совместном воздействии разной частоты весьма значительно. Из физических методов хочется сказать о народном проверенном индивидуальном способе обеззараживания воды – кипячении. Распространен и надежен, при кипячении уничтожаются бактерии, вирусы, плюс к тому удаляются растворенные газы и уменьшается жесткость воды. Комплексное воздействие химических и физических методов дает эффективные результаты. Во многих случаях к примеру, сочетание ультрафиолетового обеззараживания с последующим хлорированием обеспечит высокую очистки, и отсутствие вторичного загрязнения. Аналогично при озонировании с последующим хлорированием, где в начале убиваются микроорганизмы, а после хлор обеспечивает отсутствие вторичного загрязнения, и при этом сокращается количество токсичных веществ благодаря озону. |